特開 2024-82779 光検出素子の製造方法、及び光検出素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024082779

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】光検出素子の製造方法、及び光検出素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/108 20060101AFI20240613BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022196876

(22)【出願日】2022-12-09

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(72)【発明者】

【氏名】中嶋 和利

(72)【発明者】

【氏名】董 偉

(72)【発明者】

【氏名】藤原 弘康

【テーマコード（参考）】

5F149

5F849

【Ｆターム（参考）】

5F149AA05

5F149AA17

5F149AB01

5F149AB02

5F149AB03

5F149BA09

5F149BB07

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5F849GA04

5F849HA15

5F849LA01

5F849XB06

5F849XB39

(57)【要約】

【課題】所定の波長領域の光に対して高い感度を有する光検出素子を容易に製造することができる光検出素子の製造方法、及び光検出素子を提供する。
【解決手段】光検出素子１の製造方法は、支持体２上にアモルファス状の半導体層４０を形成する第１工程と、半導体層４０上に第１金属層３を形成する第２工程と、半導体層４０が多結晶化され且つ半導体層４０と第１金属層３とが入れ替わるように熱処理を実施し、それにより、支持体２上に第１金属層３を形成すると共に、第１金属層３上に多結晶状の光電変換層４を形成する第３工程と、光電変換層４上に複数の第２金属層５を形成する第４工程と、を備える。第４工程では、Ｘ方向における各第２金属層５の幅が、所定の波長領域の光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、複数の第２金属層５が形成される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持体上にアモルファス状の半導体層を形成する第１工程と、
前記半導体層上に第１金属層を形成する第２工程と、
前記半導体層が多結晶化され且つ前記半導体層と前記第１金属層とが入れ替わるように熱処理を実施し、それにより、前記支持体上に前記第１金属層を形成すると共に、前記第１金属層上に多結晶状の光電変換層を形成する第３工程と、
前記光電変換層上に第２金属層を形成する第４工程と、を備え、
前記第４工程では、前記第２金属層の厚さ方向に垂直な第１方向における前記第２金属層の幅が、所定の波長領域の光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、前記第２金属層が形成される、光検出素子の製造方法。

【請求項2】

前記第１工程では、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ及びＧｅ－Ｓｎのいずれかを含む材料によって前記半導体層が形成される、請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項3】

前記第４工程では、前記第１方向における前記第２金属層の前記幅が、０．９μｍ以上１．８μｍ以下の波長を有する光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、前記第２金属層が形成される、請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項4】

前記第４工程では、前記厚さ方向及び前記第１方向の両方向に垂直な第２方向を長手方向として長尺状に延在するように、前記第２金属層が形成される、請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項5】

前記第４工程では、前記第２金属層として、前記第１方向に並んだ複数の第２金属層が形成される、請求項４に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項6】

前記第４工程では、前記厚さ方向及び前記第１方向の両方向に垂直な第２方向における前記第２金属層の幅が、前記第１方向における前記第２金属層の幅と等しくなるように、前記第２金属層が形成される、請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項7】

前記第４工程では、前記第２金属層として、二次元状に並んだ複数の第２金属層が形成される、請求項６に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項8】

前記第３工程では、２５０℃以上５００℃以下の温度で前記熱処理が実施される、請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項9】

支持体と、
前記支持体上に形成された第１金属層と、
前記第１金属層上に形成された多結晶状の光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された第２金属層と、を備え、
前記第２金属層の厚さ方向に垂直な第１方向における前記第２金属層の幅は、所定の波長領域の光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となっている、光検出素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光検出素子の製造方法、及び光検出素子に関する。

【背景技術】

【0002】

赤外線領域の光に対して感度を有する光検出素子として、高コストな化合物半導体基板に代えてシリコン基板をベースとした光検出素子の研究が盛んである。そのような光検出素子として、特許文献１には、基板と、基板上に形成された第１金属層と、第１金属層上に形成された半導体構造体層と、半導体構造体層上に形成された第２金属層と、を備える光検出器であって、半導体構造体層が、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用するものであり、プラズモン共鳴によって電子が励起されるように構成されたものが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１３／１８３３４３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、上述したような光検出素子には、半導体構造体層の微細な層構造を維持しながら高温高圧下で各種処理を実施する必要があり、製造工程が複雑になるという課題がある。

【0005】

本発明は、所定の波長領域の光に対して高い感度を有する光検出素子を容易に製造することができる光検出素子の製造方法、及び光検出素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の光検出素子の製造方法は、［１］「支持体上にアモルファス状の半導体層を形成する第１工程と、前記半導体層上に第１金属層を形成する第２工程と、前記半導体層が多結晶化され且つ前記半導体層と前記第１金属層とが入れ替わるように熱処理を実施し、それにより、前記支持体上に前記第１金属層を形成すると共に、前記第１金属層上に多結晶状の光電変換層を形成する第３工程と、前記光電変換層上に第２金属層を形成する第４工程と、を備え、前記第４工程では、前記第２金属層の厚さ方向に垂直な第１方向における前記第２金属層の幅が、所定の波長領域の光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、前記第２金属層が形成される、光検出素子の製造方法」である。

【0007】

上記［１］に記載の光検出素子の製造方法では、支持体上にアモルファス状の半導体層が形成され、半導体層上に第１金属層が形成された後に、半導体層が多結晶化され且つ半導体層と第１金属層とが入れ替わるように熱処理が実施される。これにより、第１金属層及び多結晶状の光電変換層がこの順序で支持体上に形成された構成を容易に得ることができる。その上で、少なくとも第１方向における第２金属層の幅が、所定の波長領域の光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、光電変換層上に第２金属層が形成される。これにより、光検出素子では、所定の波長領域の光が入射すると、第１金属層と第２金属層との間で表面プラズモン共鳴が起こり、光アンテナ効果によって光電変換層での集光効率が高められ、その結果、所定の波長領域の光に対する感度が高められる。よって、上記［１］に記載の光検出素子の製造方法によれば、所定の波長領域の光に対して高い感度を有する光検出素子を容易に製造することができる。

【0008】

本発明の光検出素子の製造方法は、［２］「前記第１工程では、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ及びＧｅ－Ｓｎのいずれかを含む材料によって前記半導体層が形成される、上記［１］に記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［２］に記載の光検出素子の製造方法によれば、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ及びＧｅ－Ｓｎのいずれかを含む材料によって形成された多結晶状の光電変換層において、短波赤外線領域の光について光電変換効率を高めることができる。

【0009】

本発明の光検出素子の製造方法は、［３］「前記第４工程では、前記第１方向における前記第２金属層の前記幅が、０．９μｍ以上１．８μｍ以下の波長を有する光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、前記第２金属層が形成される、上記［１］又は［２］に記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［３］に記載の光検出素子の製造方法によれば、短波赤外線領域の光について光電変換層での集光効率を高めることができる。

【0010】

本発明の光検出素子の製造方法は、［４］「前記第４工程では、前記厚さ方向及び前記第１方向の両方向に垂直な第２方向を長手方向として長尺状に延在するように、前記第２金属層が形成される、上記［１］～［３］のいずれか一つに記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［４］に記載の光検出素子の製造方法によれば、所定の波長領域の光のうち第１方向を電場方向とする偏光を、第２方向に延在している第２金属層の全体において検出することが可能な光検出素子を得ることができる。

【0011】

本発明の光検出素子の製造方法は、［５］「前記第４工程では、前記第２金属層として、前記第１方向に並んだ複数の第２金属層が形成される、上記［４］に記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［５］に記載の光検出素子の製造方法によれば、所定の波長領域の光のうち第１方向を電場方向とする偏光を、第１方向及び第２方向の両方向に平行な広い領域において検出することが可能な光検出素子を得ることができる。

【0012】

本発明の光検出素子の製造方法は、［６］「前記第４工程では、前記厚さ方向及び前記第１方向の両方向に垂直な第２方向における前記第２金属層の幅が、前記第１方向における前記第２金属層の幅と等しくなるように、前記第２金属層が形成される、上記［１］～［３］のいずれか一つに記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［６］に記載の光検出素子の製造方法によれば、所定の波長領域の光のうち第１方向を電場方向とする偏光及び第２方向を電場方向とする偏光を検出することが可能な光検出素子を得ることができる。

【0013】

本発明の光検出素子の製造方法は、［７］「前記第４工程では、前記第２金属層として、二次元状に並んだ複数の第２金属層が形成される、上記［６］に記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［７］に記載の光検出素子の製造方法によれば、所定の波長領域の光のうち第１方向を電場方向とする偏光及び第２方向を電場方向とする偏光を、第１方向及び第２方向の両方向に平行な広い領域において検出することが可能な光検出素子を得ることができる。

【0014】

本発明の光検出素子の製造方法は、［８］「前記第３工程では、２５０℃以上５００℃以下の温度で前記熱処理が実施される、上記［１］～［７］のいずれか一つに記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［８］に記載の光検出素子の製造方法によれば、半導体層の多結晶化、及び半導体層と第１金属層との入れ替えが好適に実現されるため、第１金属層及び多結晶状の光電変換層がこの順序で支持体上に形成された構成を確実に得ることができる。

【0015】

本発明の光検出素子は、［９］「支持体と、前記支持体上に形成された第１金属層と、前記第１金属層上に形成された多結晶状の光電変換層と、前記光電変換層上に形成された第２金属層と、を備え、前記第２金属層の厚さ方向に垂直な第１方向における前記第２金属層の幅は、所定の波長領域の光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となっている、光検出素子」である。

【0016】

上記［９］に記載の光検出素子では、所定の波長領域の光が入射すると、第１金属層と第２金属層との間で表面プラズモン共鳴が起こり、光アンテナ効果によって光電変換層において集光効率が高められ、その結果、所定の波長領域の光に対する感度が高められる。よって、上記［９］に記載の光検出素子によれば、所定の波長領域の光を高い感度で検出することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、所定の波長領域の光に対して高い感度を有する光検出素子を容易に製造することができる光検出素子の製造方法、及び光検出素子を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】一実施形態の光検出素子の平面図である。

【図2】図１に示される光検出素子の断面図である。

【図3】図１に示される光検出素子の製造方法を示す図である。

【図4】実施例の光検出素子による吸収波長領域のシミュレーション結果を示す図である。

【図5】変形例の光検出素子の平面図である。

【図6】変形例の光検出素子の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［光検出素子の構成］

【0020】

図１及び図２に示されるように、光検出素子１は、支持体２と、第１金属層３と、光電変換層４と、複数の第２金属層５と、一対の第１電極６と、第２電極７と、を備えている。光検出素子１は、短波赤外線領域の光（所定の波長領域の光）ｈνを検出するための素子である。以下、光ｈνの入射方向をＺ方向といい、Ｚ方向に垂直な一方向をＸ方向といい、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に垂直な方向をＹ方向という。

【0021】

支持体２は、Ｚ方向を厚さ方向とする半導体基板である。より具体的には、支持体２は、シリコン基板２１と、シリコン基板２１上に形成されたシリコン酸化膜２２と、を含んでいる。支持体２は、例えば、矩形板状に形成されている。シリコン基板２１の厚さは、例えば、５００μｍ程度である。シリコン酸化膜２２の厚さは、例えば、１μｍ程度である。

【0022】

第１金属層３は、Ｚ方向を厚さ方向としてシリコン酸化膜２２上に形成されている。つまり、第１金属層３は、Ｚ方向を厚さ方向として支持体２上に形成されている。第１金属層３の材料は、例えば、Ａｕ又はＡｌである。第１金属層３の厚さは、例えば、５０～１００ｎｍ程度である。

【0023】

光電変換層４は、Ｚ方向を厚さ方向として第１金属層３（より具体的には、第１金属層３における支持体２とは反対側の表面）上に形成されている。光電変換層４は、第１金属層３における支持体２とは反対側の表面のうちＹ方向に平行な各辺に沿った領域には形成されていない。光電変換層４は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ及びＧｅ－Ｓｎのいずれかを含む材料によって形成されたＰ型の多結晶状の層である。光電変換層４の厚さは、例えば、５０ｎｍ程度である。なお、Ｓｉ－Ｇｅは、ＳｉとＧｅとの混合物であることを意味する。またし、Ｇｅ－Ｓｎは、ＧｅとＳｎとの混合物であることを意味する。

【0024】

複数の第２金属層５は、Ｚ方向を厚さ方向として光電変換層４（より具体的には、光電変換層４における第１金属層３とは反対側の表面）上に形成されている。Ｘ方向（第２金属層５の厚さ方向に垂直な第１方向）における各第２金属層５の幅は、短波赤外線領域の光ｈνの入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となっている。各第２金属層５は、Ｙ方向（第２金属層５の厚さ方向及び第１方向の両方向に垂直な第２方向）を長手方向として長尺状に延在している。複数の第２金属層５は、互いに離間した状態で所定のピッチでＸ方向に並んでいる。各第２金属層５の材料は、例えば、Ｔｉ、Ｔｉ／Ａｕ、又はＴｉ／Ａｌである。なお、「α／β」との記載は、α層及びβ層がこの順序で光電変換層４上に形成された構成であることを意味する。Ｘ方向における各第２金属層５の幅は、例えば、３００ｎｍ程度である。隣り合う第２金属層５の中心間距離（すなわち、ピッチ）は、例えば、６００ｎｍ程度である。各第２金属層５の厚さは、例えば、１００ｎｍ程度である。

【0025】

本実施形態では、第１金属層３がＰ型の光電変換層４とオーミック接合を成しており、各第２金属層５がＰ型の光電変換層４とショットキー接合を成している。これにより、ショットキーダイオードが構成されている。

【0026】

一対の第１電極６は、第１金属層３上に形成されている。各第１電極６は、第１金属層３における支持体２とは反対側の表面のうちＹ方向に平行な各辺に沿った領域において、Ｙ方向に延在している。第２電極７は、光電変換層４上に形成されている。第２電極７は、光電変換層４における第１金属層３とは反対側の表面のうちＸ方向に平行な一辺に沿った領域において、複数の第２金属層５に掛け渡されされつつＸ方向に延在している。

【0027】

以上のように構成された光検出素子１では、短波赤外線領域の光ｈνが入射すると、光ｈνのうちＸ方向を電場方向とする偏光によって第１金属層３と各第２金属層５との間で表面プラズモン共鳴が起こり、光アンテナ効果によって光電変換層４での集光効率が高められる。そして、光電変換層４での集光効率が高められた状態で、Ｘ方向を電場方向とする偏光が光電変換層４において吸収され、光電変換層４において発生した電荷が電流信号として第２電極７から取り出される。このように、光検出素子１では、光アンテナ効果によって光電変換層４での集光効率が高められる結果、短波赤外線領域の光ｈνに対する感度が高められる。よって、光検出素子１によれば、短波赤外線領域の光ｈνを高い感度で検出することができる。
［光検出素子の製造方法］

【0028】

上述した光検出素子１の製造方法について説明する。まず、図３の（ａ）に示されるように、支持体２上にアモルファス状の半導体層４０が形成される（第１工程）。第１工程では、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ及びＧｅ－Ｓｎのいずれかを含む材料によって半導体層４０が形成される。一例として、アモルファス状の半導体層４０は、ＲＦスパッタリングによってシリコン酸化膜２２上に成膜される。

【0029】

続いて、図３の（ｂ）に示されるように、半導体層４０上に第１金属層３が形成される（第２工程）。一例として、第１金属層３は、真空蒸着によって半導体層４０上に成膜される。

【0030】

続いて、半導体層４０が多結晶化され且つ半導体層４０と第１金属層３とが入れ替わるように熱処理が実施され、それにより、図３の（ｃ）に示されるように、支持体２上に第１金属層３が形成されると共に、第１金属層３上に多結晶状の光電変換層４が形成される（第３工程）。本実施形態では、第１金属層３の触媒効果によって、アモルファス状の半導体層４０がＰ型の多結晶状の光電変換層４に変化する。第３工程では、２５０℃以上５００℃以下の温度（より好ましくは、３００℃以上４００℃以下の温度）で熱処理が実施される。当該熱処理は、窒素等の不活性ガス雰囲気中において数時間～十数時間実施される。一例として、当該熱処理は、窒素雰囲気中において３５０℃の温度で１２時間実施される。このような熱処理は、Metal-Induced-Crystallization（ＭＩＣ）法と称される。なお、「半導体層４０と第１金属層３とが入れ替わる」とは、第１金属層３が半導体層４０に対して支持体２側に移動し、その結果、第１金属層３が光電変換層４に対して支持体２側に形成されることを意味する。

【0031】

続いて、図３の（ｄ）に示されるように、光電変換層４上に複数の第２金属層５が形成される（第４工程）。第４工程では、Ｘ方向における各第２金属層５の幅が、短波赤外線領域の光ｈνの入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、複数の第２金属層５が形成される。換言すれば、第４工程では、Ｘ方向における各第２金属層５の幅が、０．９μｍ以上１．８μｍ以下の波長を有する光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、複数の第２金属層５が形成される。更に、第４工程では、各第２金属層５がＹ方向を長手方向として長尺状に延在し且つ複数の第２金属層５がＸ方向に並ぶように、複数の第２金属層５が形成される。一例として、複数の第２金属層５のパターニングは、電子ビーム露光法及びリフトオフ法によって実施される。

【0032】

続いて、一対の第１電極６が第１金属層３上に形成され、第２電極７が光電変換層４及び複数の第２金属層５上に形成される。以上により、光検出素子１が得られる。

【0033】

以上説明したように、光検出素子１の製造方法では、支持体２上にアモルファス状の半導体層４０が形成され、半導体層４０上に第１金属層３が形成された後に、半導体層４０が多結晶化され且つ半導体層４０と第１金属層３とが入れ替わるように熱処理が実施される。これにより、第１金属層３及び多結晶状の光電変換層４がこの順序で支持体２上に形成された構成を容易に得ることができる。その上で、Ｘ方向における各第２金属層５の幅が、短波赤外線領域の光ｈνの入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、光電変換層４上に複数の第２金属層５が形成される。これにより、光検出素子１では、短波赤外線領域の光ｈνが入射すると、光ｈνのうちＸ方向を電場方向とする偏光によって第１金属層３と各第２金属層５との間で表面プラズモン共鳴が起こり、光アンテナ効果によって光電変換層４での集光効率が高められ、その結果、短波赤外線領域の光ｈνに対する感度が高められる。よって、光検出素子１の製造方法によれば、短波赤外線領域の光ｈνに対して高い感度を有する光検出素子１を容易に製造することができる。

【0034】

なお、支持体２上に第１金属層３が形成されると共に、第１金属層３上にアモルファス状の半導体層４０が形成された状態で、半導体層４０が多結晶化されるように熱処理が実施されると、第１金属層３と半導体層４０とが入れ替わってしまい、支持体２上に多結晶状の光電変換層４が形成されると共に、光電変換層４上に第１金属層３が形成されるおそれがある。つまり、上述した光検出素子１の製造方法以外の方法では、第１金属層３及び多結晶状の光電変換層４がこの順序で支持体２上に形成された構成を得ることは極めて困難である。

【0035】

光検出素子１の製造方法では、第１工程において、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ及びＧｅ－Ｓｎのいずれかを含む材料によって半導体層４０が形成される。これにより、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ及びＧｅ－Ｓｎのいずれかを含む材料によって形成された多結晶状の光電変換層４において、短波赤外線領域の光ｈνについて光電変換効率を高めることができる。

【0036】

光検出素子１の製造方法では、第４工程において、Ｘ方向における各第２金属層５の幅が、０．９μｍ以上１．８μｍ以下の波長を有する光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、複数の第２金属層５が形成される。これにより、短波赤外線領域の光ｈνについて光電変換層４での集光効率を高めることができる。

【0037】

光検出素子１の製造方法では、第４工程において、各第２金属層５がＹ方向を長手方向として長尺状に延在するように、複数の第２金属層５が形成される。これにより、短波赤外線領域の光ｈνのうちＸ方向を電場方向とする偏光を、Ｙ方向に延在している各第２金属層５の全体において検出することが可能な光検出素子１を得ることができる。

【0038】

光検出素子１の製造方法では、第４工程において、Ｘ方向に並ぶように複数の第２金属層５が形成される。これにより、短波赤外線領域の光ｈνのうちＸ方向を電場方向とする偏光を、Ｘ方向及びＹ方向の両方向に平行な広い領域において検出することが可能な光検出素子１を得ることができる。

【0039】

光検出素子１の製造方法では、第３工程において、２５０℃以上５００℃以下の温度で熱処理が実施される。これにより、半導体層４０の多結晶化、及び半導体層４０と第１金属層３との入れ替えが好適に実現されるため、第１金属層３及び多結晶状の光電変換層４がこの順序で支持体２上に形成された構成を確実に得ることができる。

【0040】

図４は、実施例の光検出素子による吸収波長領域のシミュレーション結果を示す図である。光検出素子１による吸収波長領域は、主に、Ｘ方向における各第２金属層５の幅、及び光電変換層４の厚さによって決定される。そこで、Ｘ方向における各第２金属層５の幅を３２０ｎｍとし、Ｇｅからなる光電変換層４の厚さを６０ｎｍとして、シミュレーションを行った。その結果、図４に示されるように、１．４５～１．５５μｍの波長領域の光（Ｘ方向を電場方向とする偏光）について略１００％の吸収率が得られた。
［変形例］

【0041】

本発明は、上述した実施形態に限定されない。例えば、図５に示されるように、各第２金属層５は、Ｚ方向から見た場合に正方形状に形成されていてもよい。図５に示される光検出素子１では、Ｘ方向における各第２金属層５の幅、及びＹ方向における各第２金属層５の幅のそれぞれが、短波赤外線領域の光ｈνの入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となっている。図５に示される光検出素子１では、複数の第２金属層５が、Ｘ方向を行方向とし且つＹ方向を列方向としてマトリックス状に並んでいる。図５に示される光検出素子１では、複数の配線７ａが光電変換層４上に形成されており、Ｙ方向に並んだ複数の第２金属層５に各配線７ａが掛け渡されていることで、複数の第２金属層５が第２電極７と電気的に接続されている。

【0042】

図６に示されるように、各第２金属層５は、Ｚ方向から見た場合に円形状に形成されていてもよい。図６に示される光検出素子１では、Ｚ方向に垂直なあらゆる方向における幅が、短波赤外線領域の光ｈνの入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となっている。図６に示される光検出素子１では、複数の第２金属層５が、Ｘ方向を行方向とし且つＹ方向を列方向としてマトリックス状に並んでいる。図６に示される光検出素子１では、複数の配線７ａが光電変換層４上に形成されており、Ｙ方向に並んだ複数の第２金属層５に各配線７ａが掛け渡されていることで、複数の第２金属層５が第２電極７と電気的に接続されている。

【0043】

図５及び図６のそれぞれに示される光検出素子１の製造方法では、第４工程において、Ｙ方向における各第２金属層５の幅が、Ｘ方向における各第２金属層５の幅と等しくなるように、複数の第２金属層５が形成される。これにより、短波赤外線領域の光ｈνのうちＸ方向を電場方向とする偏光及びＹ方向を電場方向とする偏光を検出することが可能な光検出素子１を得ることができる。

【0044】

図５及び図６のそれぞれに示される光検出素子１の製造方法では、第４工程において、二次元状に並ぶように複数の第２金属層５が形成される。これにより、短波赤外線領域の光ｈνのうちＸ方向を電場方向とする偏光及びＹ方向を電場方向とする偏光を、Ｘ方向及びＹ方向の両方向に平行な広い領域において検出することが可能な光検出素子１を得ることができる。特に、図６に示される光検出素子１によれば、短波赤外線領域の光ｈνを、偏光依存性がない状態で（すなわち、Ｚ方向に垂直なあらゆる方向を電場方向とする偏光に対して感度を有する状態で）広い領域において検出することが可能である。

【0045】

支持体２において、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２が形成されていなくてもよい。支持体２は、半導体基板以外の基板等であってもよい。第１電極６及び第２電極７のそれぞれの個数、形状及び位置等は、上述したものに限定されない。

【0046】

光電変換層４は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ及びＧｅ－Ｓｎのいずれかを含む材料以外の材料によって形成された多結晶状の層であってもよい。その場合、光検出素子１の製造方法では、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｇｅ及びＧｅ－Ｓｎのいずれかを含む材料以外の材料によって半導体層４０が形成される。半導体層４０及び光電変換層４の材料は、検出対象の光の波長領域によって決定される。つまり、光検出素子１は、短波赤外線領域以外の波長領域の光を検出するための素子であってもよい。

【0047】

光検出素子１は、短波赤外線領域以外の波長領域の光を検出するための素子である場合、Ｘ方向における各第２金属層５の幅は、当該波長領域の光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となっていればよい。その場合、光検出素子１の製造方法では、Ｘ方向における各第２金属層５の幅が、当該波長領域の光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、複数の第２金属層５が形成される。

【0048】

光検出素子１の製造方法では、半導体層４０が多結晶化され且つ半導体層４０と第１金属層３とが入れ替わるように熱処理が実施されれば、熱処理の温度は、２５０℃以上５００℃以下の温度以外の温度であってもよい。半導体層４０が多結晶化され且つ半導体層４０と第１金属層３とが入れ替わるように熱処理が実施される際に、半導体層４０の多結晶化、及び半導体層４０と第１金属層３との入れ替えは、同時に進行してもよいし、時間的にずれて進行してもよい。

【0049】

上述した実施形態では、第１金属層３がＰ型の光電変換層４とオーミック接合を成し、各第２金属層５がＰ型の光電変換層４とショットキー接合を成すことで、ショットキーダイオードが構成されていたが、第１金属層３及び各第２金属層５がＰ型の光電変換層４とオーミック接合を成すことで、フォトコンダクタが構成されていてもよい。その場合、第１金属層３の材料は、例えば、Ａｕ又はＡｌが適しており、各第２金属層５の材料は、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ａｕ、又はＡｌが適している。或いは、Ｐ型の光電変換層４における第１金属層３とは反対側の領域に、不純物ドーピングによってＮ型の領域が形成されることで、ＰＮ接合ダイオードが構成されていてもよい。その場合、第１金属層３の材料は、例えば、Ａｕ又はＡｌが適しており、各第２金属層５の材料は、例えば、Ｔｉ、Ｔｉ／Ａｕ、又はＴｉ／Ａｌが適している。

【0050】

光電変換層４は、Ｎ型の多結晶状の層であってもよい。光電変換層４がＮ型の層である場合、第１金属層３がＮ型の光電変換層４とオーミック接合を成し、各第２金属層５がＮ型の光電変換層４とショットキー接合を成すことで、ショットキーダイオードが構成されていてもよい。その場合、第１金属層３の材料は、例えば、Ｔｉが適しており、各第２金属層５の材料は、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ａｕ、又はＡｌが適している。或いは、第１金属層３及び各第２金属層５がＮ型の光電変換層４とオーミック接合を成すことで、フォトコンダクタが構成されていてもよい。その場合、第１金属層３の材料は、例えば、Ｔｉが適しており、各第２金属層５の材料は、例えば、Ｔｉ、Ｔｉ／Ａｕ、又はＴｉ／Ａｌが適している。或いは、Ｎ型の光電変換層４における第１金属層３とは反対側の領域に、不純物ドーピングによってＰ型の領域が形成されることで、ＰＮ接合ダイオードが構成されていてもよい。その場合、第１金属層３の材料は、例えば、Ｔｉが適しており、各第２金属層５の材料は、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ａｕ、又はＡｌが適している。

【0051】

いずれの光検出素子１においても、光電変換層４上に少なくとも一つの第２金属層５が形成されていればよい。また、いずれの光検出素子１の製造方法においても、少なくとも一方向（第２金属層５の厚さ方向に垂直な第１方向）における第２金属層５の幅が、所定の波長領域の光の入射によって表面プラズモン共鳴が起こる幅となるように、少なくとも一つの第２金属層５が形成されればよい。

【符号の説明】

【0052】

１…光検出素子、２…支持体、３…第１金属層、４…光電変換層、５…第２金属層、４０…半導体層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】